DE102019215618A1 - Method for operating an internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors in dem unter vorgebbaren Bedingungen während eines Betriebs einer Tankheizung eines Reduktionsmitteltanks der Verbrennungsmotor von einem ersten Betriebszustand (43) betrieben und während der Dauer der Begrenzung in einen zweiten Betriebszustand (44) betrieben.The invention relates to a method for operating an internal combustion engine in which the internal combustion engine is operated from a first operating state (43) under predeterminable conditions during operation of a tank heater of a reducing agent tank and operated in a second operating state (44) for the duration of the limitation.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm, das jeden Schritt des Verfahrens ausführt, sowie ein maschinenlesbares Speichermedium, welches das Computerprogramm speichert. Schließlich betrifft die Erfindung ein elektronisches Steuergerät, welches eingerichtet ist, um das Verfahren auszuführen.The present invention relates to a method for operating an internal combustion engine. The present invention also relates to a computer program that executes each step of the method, as well as a machine-readable storage medium that stores the computer program. Finally, the invention relates to an electronic control device which is set up to carry out the method.
Stand der TechnikState of the art
Um den Anteil von Stickoxiden im Abgas eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Dieselmotors zu verringern, ist bekannt in einem Abgasstrang einen SCR-Katalysator (selective catalytic reduction) anzuordnen. Dieser reduziert die im Abgas enthaltenden Stickoxide in Gegenwart von Ammoniak als Reduktionsmittel zu Stickstoff. Um das Ammoniak bereitzustellen, wird stromaufwärts des SCR-Katalysators eine Reduktionsmittellösung in den Abgasstrang eindosiert. In der Regel wird hierfür eine wässrige Harnstofflösung (Harnstoffwasserlösung; HWL) verwendet, die Harnstoff als Ammoniak abspaltendes Reagenz enthält. Eine 32,5-prozentige HWL ist unter der Bezeichnung AdBlue® kommerziell erhältlich. Diese weist ein Gefrierpunkt von -11,5°C auf.In order to reduce the proportion of nitrogen oxides in the exhaust gas of an internal combustion engine, in particular a diesel engine, it is known to arrange an SCR (selective catalytic reduction) catalyst in an exhaust line. This reduces the nitrogen oxides contained in the exhaust gas in the presence of ammonia as a reducing agent to nitrogen. In order to provide the ammonia, a reducing agent solution is metered into the exhaust system upstream of the SCR catalytic converter. As a rule, an aqueous urea solution (urea water solution; HWL) containing urea as an ammonia-releasing reagent is used for this. A 32.5 percent HWL is commercially available under the name AdBlue ®. This has a freezing point of -11.5 ° C.
Bei Umgebungstemperaturen unterhalb des Gefrierpunktes von AdBlue® würde die HWL gefrieren. Um dieses im Betrieb des SCR-Katalysatorsystems zu verhindern, ist im Reduktionsmitteltank eine Tankheizung vorgesehen. Wird ein Kraftfahrzeug, in dem das SCR-Katalysatorsystem angeordnet ist, allerdings für längere Zeit bei niedrigen Außentemperaturen abgestellt, so gefriert die HWL da die Tankheizung bei abgestelltem Kraftfahrzeug abgeschaltet ist. Durch Einschalten der Tankheizung muss die HWL bei erneuter Inbetriebnahme des Kraftfahrzeugs erst aufgetaut werden, um sie in den Abgasstrang eindosieren zu können. Die Tankheizung und eine thermische Isolierung des Reduktionsmitteltanks werden zwar so dimensioniert, dass in den meisten Fällen schnell ausreichend HWL aufgetaut werden kann, um den HWL-Bedarf des SCR-Katalysatorsystems zu decken, es gibt jedoch auch Ausnahmen. Wenn ein Kraftfahrzeug in Regionen mit sehr kalten Wintern lange bei niedriger Außentemperatur abgestellt wird, nimmt die gefrorene HWL im Reduktionsmitteltank eine so niedrige Temperatur an, dass es lange dauert sie aufzutauen. Falls noch während des Auftauvorgangs eine hohe Lastanforderung an den Verbrennungsmotor erfolgt, weil das Kraftfahrzeug schwer beladen ist und der Fahrer möglicherweise aggressiv fährt, so kann es passieren, dass die gesamte aufgetaute HWL durch Dosieranforderungen in den Abgasstrang eindosiert wird. Dies führt dazu, dass die Tankheizung nicht mehr von flüssiger HWL, sondern nur noch von Luft umgeben ist. Damit kann sie keine weitere Wärme auf die gefrorene HWL übertragen, die von einer Luftblase von der Tankheizung isoliert wird. Dies würde dazu führen, dass das SCR-Katalysatorsystem nicht mehr funktioniert.At ambient temperatures below the freezing point of AdBlue ® , the HWL would freeze. To prevent this when the SCR catalytic converter system is in operation, a tank heater is provided in the reducing agent tank. However, if a motor vehicle in which the SCR catalytic converter system is arranged is parked for a long time at low outside temperatures, the HWL freezes because the tank heating is switched off when the vehicle is parked. By switching on the tank heater, the HWL must first be thawed when the vehicle is started up again so that it can be metered into the exhaust system. The tank heating and thermal insulation of the reducing agent tank are dimensioned in such a way that, in most cases, sufficient HWL can be thawed quickly to meet the HWL requirements of the SCR catalyst system, but there are exceptions. If a motor vehicle is parked for a long time at a low outside temperature in regions with very cold winters, the frozen HWL in the reducing agent tank takes on such a low temperature that it takes a long time to thaw. If the internal combustion engine is subjected to high loads during the thawing process because the motor vehicle is heavily loaded and the driver may be driving aggressively, it can happen that the entire thawed HWL is metered into the exhaust system due to metering requirements. This means that the tank heater is no longer surrounded by liquid HWL, but only by air. This means that it cannot transfer any more heat to the frozen HWL, which is isolated from the tank heater by an air bubble. This would lead to the SCR catalytic converter system no longer working.
Um dies zu verhindern werden Betriebsstrategien des SCR-Katalysatorsystems verwendet, bei denen während einer Auftauphase der HWL bei vorliegend kritischen Bedingungen hinsichtlich der Umgebungstemperatur und Lastanforderung an den Verbrennungsmotor die maximal erlaubte Dosierrate der HWL begrenzt wird. Durch diese Begrenzung kann zwar ein vollständiger Ausfall des SCR-Katalysatorsystems vermieden werden, es ist jedoch nicht mehr möglich die Stickoxidemissionen des Verbrennungsmotors vollständig zu reduzieren, sodass Stickoxide in die Umwelt gelangen.In order to prevent this, operating strategies of the SCR catalytic converter system are used in which the maximum permissible dosing rate of the HWL is limited during a thawing phase of the HWL under critical conditions with regard to the ambient temperature and load requirements on the internal combustion engine. This limitation can prevent a complete failure of the SCR catalytic converter system, but it is no longer possible to completely reduce the nitrogen oxide emissions of the internal combustion engine, so that nitrogen oxides are released into the environment.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
In dem Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors wird unter vorgebbaren Bedingungen während eines Betriebs einer Tankheizung eines Reduktionsmitteltanks eines SCR-Katalysatorsystems des Verbrennungsmotors der Verbrennungsmotor von einem ersten Betriebszustand in einen zweiten Betriebszustand geschaltet.In the method for operating an internal combustion engine, the internal combustion engine is switched from a first operating state to a second operating state under predeterminable conditions during operation of a tank heater of a reducing agent tank of an SCR catalytic converter system of the internal combustion engine.
Die vorgebbaren Bedingungen umfassen vorzugsweise, dass die vorgebbaren Bedingungen umfassen, dass die vorgebbaren Bedingungen umfassen, dass der Phasenzustand einer Reduktionsmittellösung im Reduktionsmitteltank durch ein Modell als gefroren oder teilweise gefroren bestimmt wurde. Dies weist darauf hin, dass ein Auftauen der Reduktionsmittellösung erforderlich ist.The prescribable conditions preferably include that the prescribable conditions include that the prescribable conditions include that the phase state of a reducing agent solution in the reducing agent tank was determined as frozen or partially frozen by a model. This indicates that it is necessary to thaw the reducing agent solution.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass die vorgebbaren Bedingungen umfassen, dass eine Umgebungstemperatur des Reduktionsmitteltanks einen vorgebbaren ersten Temperaturschwellenwert, zumindest für einen vorgebbaren ersten Zeitraum, unterschreitet. Unter diesen Bedingungen ist davon auszugehen, dass die gefrorene Reduktionsmittellösung im Reduktionsmitteltank eine so niedrige Temperatur angenommen hat, dass sie mittels der Tankheizung nur langsam aufgetaut werden kann.Furthermore, it is preferred that the specifiable conditions include that an ambient temperature of the reducing agent tank falls below a specifiable first temperature threshold value, at least for a specifiable first period of time. Under these conditions, it can be assumed that the frozen reducing agent solution in the reducing agent tank has assumed such a low temperature that it can only be thawed slowly by means of the tank heater.
Ferner ist es bevorzugt, dass die vorgegebenen Bedingungen umfassen, dass eine Temperatur des Reduktionsmitteltanks einen vorgebbaren Temperaturschwellenwert zumindest für einen vorgebbaren zweiten Zeitraum unterschreitet. Auch unter diesen Bedingungen ist davon auszugehen, dass die gefrorene Reduktionsmittellösung im Reduktionsmitteltank mittels der Tankheizung nur langsam aufgetaut werden kann.Furthermore, it is preferred that the predefined conditions include that a temperature of the reducing agent tank falls below a predeterminable temperature threshold value at least for a predeterminable second period of time. Even under these conditions, it can be assumed that the frozen reducing agent solution in the reducing agent tank can only be thawed slowly by means of the tank heater.
Außerdem ist es bevorzugt, dass die vorgebbaren Bedingungen umfassen, dass ein Signal eines Konzentrationssensors des Reduktionsmitteltanks nicht verfügbar ist. Dies weist darauf hin, dass der Konzentrationssensor von gefrorener Reduktionsmittellösung eingeschlossen ist.In addition, it is preferred that the predeterminable conditions include that a signal from a concentration sensor of the reducing agent tank is not available. This indicates that the concentration sensor is trapped in frozen reductant solution.
Des Weiteren ist es bevorzugt, dass die vorgebbaren Bedingungen umfassen, dass ein Signal eines Füllstandsensors des Reduktionsmitteltanks nicht verfügbar ist. Dies weist darauf hin, dass der Füllstandsensor von gefrorener Reduktionsmittellösung eingeschlossen ist.Furthermore, it is preferred that the predeterminable conditions include that a signal from a fill level sensor of the reducing agent tank is not available. This indicates that the level sensor is trapped in frozen reductant solution.
Schließlich ist es bevorzugt, dass die vorgebbaren Bedingungen umfassen, dass eine modellierte Menge flüssiger Reduktionsmittellösung einen Mengenschwellenwert unterscheitet. Dieses Modell kann auf einer Massenbilanz von in den Abgasstrang eindosierter Reduktionsmittellösung basieren. Der Mengenschwellenwert kann so gewählt werden, dass sein Unterschreiten die Gefahr eines bevorstehenden Verbrauchs der noch verbleibenden flüssigen Reduktionsmittellösung anzeigt.Finally, it is preferred that the predeterminable conditions include that a modeled amount of liquid reducing agent solution falls below an amount threshold value. This model can be based on a mass balance of reducing agent solution metered into the exhaust system. The quantity threshold value can be selected so that if it falls below it, there is a risk of imminent consumption of the remaining liquid reducing agent solution.
In dem Verfahren ist vorgesehen, dass der Verbrennungsmotor ohne Vorliegen der vorgebbaren Bedingungen in dem ersten Betriebszustand betrieben wird und während der Dauer des Vorliegen der vorgebbaren Bedingungen in dem zweiten Betriebszustand betrieben wird. Der erste Betriebszustand entspricht dabei einem Betriebszustand einer herkömmlichen Betriebsstrategie des Verbrennungsmotors. Der zweite Betriebszustand kann so ausgestaltet werden, dass die Rohemissionen des Verbrennungsmotors an Stickoxiden gegenüber dem ersten Betriebszustand verringert werden, um so die negativen Auswirkungen eines Betriebs des SCR-Katalysatorsystems mit begrenzter Dosierrate auf die Umwelt zu mindern oder sogar vollständig aufzuheben.The method provides that the internal combustion engine is operated in the first operating state without the prescribable conditions and is operated in the second operating state for the duration of the prescribable conditions. The first operating state corresponds to an operating state of a conventional operating strategy of the internal combustion engine. The second operating state can be designed in such a way that the raw emissions of the internal combustion engine of nitrogen oxides are reduced compared to the first operating state in order to reduce or even completely eliminate the negative effects of operating the SCR catalytic converter system with a limited metering rate on the environment.
Vorzugsweise wird dies dadurch erreicht, dass der Verbrennungsmotor im zweiten Betriebszustand so betrieben wird, dass Stickoxid-Rohemissionen des Verbrennungsmotors gegenüber dem ersten Betriebszustand verringert sind. Dieser Betrieb des Verbrennungsmotors kann durch ein elektronisches Steuergerät realisiert werden. Hierbei kann es sich um dasselbe elektronische Steuergerät handeln, welches auch das SCR-Katalysatorsystem betreibt. Es ist jedoch auch möglich, den Verbrennungsmotor über ein Motorsteuergerät zu betreiben, welches lediglich Daten eines weiteren Steuergerätes empfängt, das das SCR-Katalysatorsystem steuert.This is preferably achieved in that the internal combustion engine is operated in the second operating state in such a way that raw nitrogen oxide emissions of the internal combustion engine are reduced compared to the first operating state. This operation of the internal combustion engine can be implemented by an electronic control unit. This can be the same electronic control unit that also operates the SCR catalytic converter system. However, it is also possible to operate the internal combustion engine via an engine control unit which only receives data from another control unit that controls the SCR catalytic converter system.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die Verringerung der Stickoxidemissionen dadurch erreicht, dass in dem zweiten Betriebszustand ein Drehmoment des Verbrennungsmotors begrenzt wird. Damit werden hohe Drehmomentanforderungen des Fahrers eines vom Verbrennungsmotor angetriebenen Kraftfahrzeugs unterbunden. Zur Vermeidung hoher Stickoxidemissionen wird dabei eine geringere Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs in Kauf genommen.In a preferred embodiment of the method, the reduction in nitrogen oxide emissions is achieved in that a torque of the internal combustion engine is limited in the second operating state. This prevents high torque requirements from the driver of a motor vehicle driven by the internal combustion engine. In order to avoid high nitrogen oxide emissions, a lower speed of the motor vehicle is accepted.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird der Verbrennungsmotor in dem zweiten Betriebszustand mit einem anderen Kennfeld betrieben als in dem ersten Betriebszustand. Dieses andere Kennfeld kann so ausgestaltet sein, dass die Verbrennungsvorgänge im Verbrennungsmotor zu geringeren Stickoxidrohemissionen führen als im ersten Betriebszustand. Ein solcher Wechsel des Kennfeldes wird üblicherweise mit höheren Kohlendioxidemissionen und einem höheren Kraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors erkauft.In another preferred embodiment of the method, the internal combustion engine is operated in the second operating state with a different characteristic map than in the first operating state. This other characteristic map can be designed in such a way that the combustion processes in the internal combustion engine lead to lower raw nitrogen oxide emissions than in the first operating state. Such a change in the characteristic map is usually bought at the price of higher carbon dioxide emissions and higher fuel consumption of the internal combustion engine.
Das Kennfeld des zweiten Betriebszustands kann insbesondere so ausgestaltet sein, dass es eine niedrigere durchschnittliche Verbrennungstemperatur des Verbrennungsmotors gegenüber dem ersten Betriebszustand vorsieht. Dies kann beispielsweise durch Änderungen der Kraftstoffeinspritzmenge oder des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses erreicht werden. Alternativ oder zusätzlich ist im zweiten Betriebszustand eine höhere Abgasrückführungsrate (AGR-Rate) des Verbrennungsmotors im Vergleich zum ersten Betriebszustand vorgesehen.The characteristics map of the second operating state can in particular be designed in such a way that it provides a lower average combustion temperature of the internal combustion engine compared to the first operating state. This can be achieved, for example, by changing the fuel injection quantity or the air / fuel ratio. Alternatively or additionally, a higher exhaust gas recirculation rate (EGR rate) of the internal combustion engine compared to the first operating state is provided in the second operating state.
Neben der sowieso niedrigeren Eindosierung von Reduktionsmittellösung in den Abgasstrang aufgrund der im zweiten Betriebszustand verringerten Stickoxidemissionen des Verbrennungsmotors kann zusätzlich auch vorgesehen sein, dass eine Dosierrate mindestens eines Dosierventils des SCR-Katalysatorsystems im zweiten Betriebszustand begrenzt. Hierbei handelt es sich um eine aus dem Stand der Technik bekannte Strategie zur Dosierratenbegrenzung, um einen Ausfall des SCR-Katalysatorsystems zu vermeiden. Wenn das SCR-Katalysatorsystem nur ein einziges Dosierventil aufweist, so wird die Dosierratenbegrenzung nur auf dieses angewandt. Weist es mehrere Dosierventile auf, so wird die Dosierratenbegrenzung so auf alle Dosierventile angewandt, dass eine maximale Gesamtdosierrate nicht überschritten wird und im Reduktionsmitteltank somit innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums nie mehr als eine vorgebbare Menge an Reduktionsmittellösung entnommen wird.In addition to the anyway lower dosing of reducing agent solution into the exhaust system due to the reduced nitrogen oxide emissions of the internal combustion engine in the second operating mode, it can also be provided that a metering rate of at least one metering valve of the SCR catalytic converter system is limited in the second operating mode. This is a strategy known from the prior art for limiting the dosing rate in order to avoid failure of the SCR catalytic converter system. If the SCR catalytic converter system only has a single metering valve, the metering rate limitation is only applied to this. If it has several metering valves, the metering rate limitation is applied to all metering valves in such a way that a maximum total metering rate is not exceeded and therefore no more than a predetermined amount of reducing agent solution is withdrawn from the reducing agent tank within a predetermined period of time.
Das Computerprogramm ist eingerichtet jeden Schritt des Verfahrens durchzuführen, insbesondere wenn es auf einem Rechengerät oder auf einem elektronischen Steuergerät abläuft. Es ermöglicht die Implementierung unterschiedlicher Ausführungsformen des Verfahrens auf einem elektronischen Steuergerät ohne hieran bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen. Hierzu ist es auf dem maschinenlesbaren Speichermedium gespeichert.The computer program is set up to carry out each step of the method, in particular when it runs on a computing device or on an electronic control device. It enables the implementation of different embodiments of the method on an electronic control unit without structural changes to it to have to make. For this purpose, it is stored on the machine-readable storage medium.
Durch Aufspielen des Computerprogramms auf ein herkömmliches elektronisches Steuergerät, wird das elektronische Steuergerät erhalten, welches eingerichtet ist, um einen Verbrennungsmotor mittels des Verfahrens zu betreiben.By uploading the computer program to a conventional electronic control device, the electronic control device is obtained, which is set up to operate an internal combustion engine by means of the method.
FigurenlisteFigure list
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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1 zeigt schematisch einen Verbrennungsmotor, der mittels eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens betrieben werden kann, zusammen mit seinem SCR-Katalysatorsystem. -
2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 shows schematically an internal combustion engine which can be operated by means of an exemplary embodiment of the method according to the invention, together with its SCR catalytic converter system. -
2 shows a flow chart of an embodiment of the method according to the invention.
Ausführungsbeispiele der ErfindungEmbodiments of the invention
Ein Verbrennungsmotor
In einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens, das in
In einem zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in dem zweiten Betriebszustand
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